Распределения акустического давления и зон кавитационной активности в жидкости: численное моделирование и эксперимент
Автор: Сбоев И.О., Любимова Т.П., Кучинский М.О., Рыбкин К.А.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.18, 2025 года.
Бесплатный доступ
Одним из направлений изучения физико-химических процессов, происходящих в жидкости под действием высокочастотных звуковых колебаний (ультразвука), является определение роли акустической кавитации. Ее возникновение обусловлено неоднородностью акустического давления, создаваемого волнами от источника ультразвука (излучателя). Основная задача настоящей работы заключается в численном исследовании в пакете COMSOL Multiphysics трехмерного стационарного распределения акустического давления в рабочей области, заполненной жидкостью с заданными физико-химическими свойствами. Совместно с вычислительными экспериментами проводится натурное установление расположения зон кавитационной активности методом foil test, результаты которого оцениваются путем сравнения со структурой рассчитанного внутри рабочей полости звукового поля. В рамках разрабатываемой численной модели для простоты рассматриваются стоячие ультразвуковые волны. Используются две формы расчетной области - прямой круговой цилиндр и прямоугольный параллелепипед. Анализируется стационарное распределение акустического давления над круглым излучателем. Полагается, что ультразвуковые стоячие волны распространяются в жидкой среде, которая сжимаема, при этом диссипация звуковой энергии при наличии вязкого трения и образовании парогазовых пузырьков в жидкости не учитывается. На верхней и боковой границах рабочей полости задается либо нулевое давление, либо условие импеданса. Исследуется распределение акустического давления, возникающего в жидкости под воздействием стоячей ультразвуковой волны при резонансных и нерезонансных частотах излучателя. Выполняется сопоставление распределения акустического давления в центральном сечении рабочей полости с фотографиями алюминиевой фольги, полученными в натурном эксперименте.
Ультразвуковая стоячая волна, акустическая кавитация, метод foil test, кавитационная активность, акустическое давление, численное моделирование, программный пакет comsol multiphysics
Короткий адрес: https://sciup.org/143184127
IDR: 143184127 | DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.1.6
Spatial distribution of acoustic pressure and cavitation activity zones in a fluid system: numerical modelling and experiment
One of the areas of study of physicochemical processes occurring in liquids under the influence of high-frequency sound vibrations (ultrasound) is the determination of the role of acoustic cavitation. This phenomenon occurs due to the uneven distribution of acoustic pressure generated by an ultrasound source (emitter) inside the working chamber. The objective of this article is to study numerically the three-dimensional stationary distribution of acoustic pressure in a working cavity filled with a liquid with constant physicochemical properties using the COMSOL Multiphysics software. In addition to numerical modeling, we also conduct an experimental study in which a foil test technique is applied to determine the location of the areas where cavitation takes place; the results of the test are estimated by their comparison with the calculated acoustic field structure inside the working chamber. Within the framework of the developed numerical model, for simplicity we consider standing ultrasonic waves. Two geometrical configurations of a computational domain are used: a circular cylinder and a rectangular parallelepiped. The stationary distribution of acoustic pressure over a circular radiator is analyzed. It is assumed that ultrasonic standing waves propagate in a compressible medium with sound energy dissipation due to viscous friction or the formation of vapor-gas bubbles in the liquid being neglected. We set zero pressure or an impedance condition at the upper and lateral boundaries of the working cavity. We investigate the distribution of acoustic pressure in standing ultrasonic waves at resonant and non-resonant operating frequencies of the emitter. The acoustic pressure distribution in the central section of the working cavity is compared with photographs of the aluminum foil surface obtained in a full-scale experiment using the foil test method.
